基于電磁波的井下壓裂無線傳輸信道性能分析研究

劉濤,朱禮斌,楊先輝,任永宏,李擁軍,蔡軍,程曉東

(1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司油氣井測試分公司,河北廊坊065007;2.中國石油華北油田公司勘探事業部,河北任丘062552)

0 引 言

現代油田開發中,壓裂是實施開采的重要措施,是提高油氣田開發能力的重要技術手段,是針對低滲油氣田改造油氣藏的重要方法[1-2]。在現階段現場經濟地測量和評估水力裂縫、對儲層特性巖石力學參數和地應力分布的研究和認識、壓裂設計[3-4]、以及壓裂監測和施工質量控制等因素是影響壓裂效果的關鍵,其中通過對井下數據的監測實時分析指導壓裂改造效果是一項重要的技術,可認識和了解裂縫和地層情況,分析和評估壓裂液性能和現場施工質量,減小施工風險,保證施工按設計要求順利進行,并根據實際情況進行現場調整。現階段多集中于微地震事件和溫度數據的實時監控。在監測水力壓裂施工作業產生的微地震事件時,采用有線傳輸技術,存在施工不便、成本高、地形環境適應能力差等缺陷;溫度是壓裂監測的重要參數,溫度變化對壓裂液流變性能產生直接的影響,也是影響壓裂液破膠能力的重要因素,對壓裂液的選擇和調整具有重要的參考價值;現有的壓裂溫度監測多采用無纜傳輸[5],但存在實時性不足的缺點。因此,壓裂監測數據的實時傳輸問題的研究具有重要的現實意義。

利用微存儲芯片進行數據傳輸是井下數據無線傳輸的熱點之一。Tulsa大學YU MJ的井筒流體示蹤器、沙特A&M公司的Resbots油藏納米機器人、Houston大學LIU C R研究的無線射頻數據傳輸方法、Baker Huston的微存儲器井下數據傳輸方法等都是這方面的研究,但其都還處于概念設計階段。中國石化石油工程技術研究院的朱祖揚等利用微芯片技術開發的全井筒壓力溫度采集器[6],實現了隨鉆過程壓力溫度數據的實時監控[7]。該技術應用于壓裂過程監測還是一個較新的研究方向,在國內外壓裂過程應用的實例中,更多應用于壓裂滑套的控制[8-11]。本文根據實際壓裂、試井需要,設計了一種井下壓裂數據實時傳輸系統并制作了試驗樣機。該系統將井下采集的數據采用無線遙測技術,以信息標簽為媒介實時傳輸到地面,操作人員可以直接根據對采集數據的分析,對實施效果進行評價,并及時采取各種措施,調整工作程序,解決壓裂操作的盲目性,可有效縮短時間及成本。

1 傳輸系統的設計與實現

現使用的壓裂數據無線采集系統將數據采集部分隨同井下設備下到指定位置并采集數據,在壓裂完成后,連同油管一起提出,對監測數據進行分析,具有一定滯后性。本文設計的系統采用微芯片技術,通過將載有數據通信模塊、存儲裝置的信息標簽隨管道內液體進行循環流動,與井下數據采集站進行數據通信,并在地面實現回收,以達到對井下數據進行實時監測的目的,系統結構見圖1。井下數據采集站由無線通信單元、控制單元、數據采集單元組成,并配有電池組用于供電;井下數據采集站隨壓裂管柱下入到指定位置,開始監測數據,全程記錄被測點的壓力、溫度、振動等變化;當地面需要獲得井下某時刻的數據時,將信息標簽通過投放口投入到油管內,并通過重力和油管內的鉆井/壓裂液的黏稠性使其流動;當接近井下數據采集站時,與其進行數據通信;隨油管內液體繼續流動,并由環空返回地面,地面的捕獲器將信息標簽捕獲,并通過無線設備將其存儲的數據讀出并進行分析。

圖1 井下壓裂數據無線傳輸系統結構

圖1中井下數據采集站的數據采集單元包括溫度、壓力、振動等傳感器,用以采集數據,并通過總線與控制單元連接,本文采用1553b總線;無線通信單元負責與信息標簽的通信,其通過總線與控制單元連接;控制單元負責各個模塊之間的通信、時序控制。系統利用射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術[12-13],采用專用短程通信DSRC(Dedicated Short Range Communications)協議進行無線傳輸,井下通信系統模塊見圖2。傳感器采集的數據通過數據通信接口由數據處理控制器進行控制,儲存到存儲單元。微波收發控制單元控制天線的收發狀態,當偵測到標簽靠近時,通知數據處理控制器,激發DSRC協議處理單元,由控制單元負責在存儲單元讀取對應位置的數據并進行傳輸。當信息標簽接收到數據后,將數據儲存,并將隨著液體繼續循環,在地面實現回收。通過地面的無線傳輸系統,對信息標簽的數據進行讀取,實現對井下數據的實時監測分析。由于信息標簽在井筒內一直移動,因此,不可能將井下的數據全部的傳輸到地面,該系統在實際應用中,通過改進算法,將對處于變化點的數據優先傳輸,通過觀察分析數據的變化趨勢,可使得地面對于井下的情況進行分析,而監測的全部數據,可當井下數據采集站隨壓裂設備提起后,由數據存儲單元中直接獲得。

圖2 井下通訊系統結構圖

2 信道模型分析及均衡技術

該系統采用無線射頻技術。井下無線傳輸受到很多因素的影響,如信道、鉆井液成分、標簽移動導致的多普勒效應等,通過試驗分析,該系統在實際試驗中其面臨的主要問題為信道衰減與小尺度衰落。小尺度衰落是指信號在短時間或短距離傳播后其幅度、相位或是多徑時延快速變化,導致的信號衰減。標簽在井中運動時,為了增強其有效的傳輸時間,其發射端設計的發射有效角度接近180°,盡可能保證標簽在發射端上方、下方的有效傳輸距離內都可進行數據傳輸(見圖3)。

圖3 無線傳輸路徑示意圖

通過地面模擬實驗和理論分析,對井下的井筒內的無線傳輸信道性能進行了分析,以便設計較優的均衡算法。由于標簽的移動、井壁的反射等因素,作為信號的接收端存在多徑效應,即同一信號x(t)在輸出端T發射后,在接收端R會接收到多個x(t-τ),信號從不同的方向傳播到達,τ為具有不同的傳播時延。對于多徑效應對于標簽接收信號的影響,本文采用多發單收(MISO)傳輸模型進行信道性能模擬,即將通過不同路徑傳輸的信號視為由不同天線發送的、具有不同時延的同一信號。信號x(t)可經路徑1、2、3達到接收端T。假設第i根發射天線上發送的信號為xi,發送功率為Pi,其對應的路徑衰減因子為hi令

x=[x1,x2,…,xn]h=[h1,h2,…,hn]

則接收端信號為

y=Σihixi+w

(1)

式中,w為信道的噪聲。針對本文的傳輸信道,令τ為信號經過某條路徑的延時,則多徑時延模型可簡化為

yi=Σmhmxi(t-τm)+wi

(2)

設發送點的信號功率為P,則根據能量守恒,在自由空間里距離發射端距離為d的點的接收功率為

(3)

令發射端功率為Pt,接收端R點的功率為PR,發射信號頻率為fc,則自由空間中有

(4)

則圖3中路徑1的功率衰減因子可定義為

(5)

式中,δ為與鉆井液相關的衰減系數;α為信號的功率衰減因子;當發送信號為x(t),功率衰減為αP。

根據井下小尺寸的情況,圖3中各個路徑的路徑差很小,可忽略,因此對于同一信號的不同路徑的衰減因子,為簡化計算,可都視為相同的h1。由傅里葉變換性質可知,在時域的時間上的延遲,對應于頻域信號相位的旋轉,由于井下小尺寸的原因,由多徑效應造成的時間長上的延遲可忽略,相位偏移較小,而由路徑差造成的能量衰減也可忽略,那么該模型中影響多徑效應衰減的主要因素為電磁波在空間中的發射現象,并且存在多次反射的情況,如圖3中路徑3所示。設Γ為反射系數,則井下小尺寸空間內的傳輸模型可簡化為

yi=Σmhmxi(t-τm)+wi≈

(6)

式中,x(t)為d0處的電場強度;Δd為反射路徑與直達路徑的路徑差;Γ為反射系數;wm為信道。

上述為該系統使用的信道模型,由文獻[14] 可知,隨著標簽與發射端距離的變化,接收信號以擺動的方式衰減,該模型符合這個變化趨勢。井下的信號傳輸,收到如泥漿介質特性、管道內雜質、管壁發射、振動及熱噪聲等干擾。在式(6)中,路徑衰減因子h1與泥漿介質特性有關,反射Γ系數由管壁特性、泥漿介質特性相關,可由地面實驗近似測量獲得。對于井下噪聲,通過對試驗井數據分析獲得其幅頻特性,在接收端通過濾波達到抑制噪聲的目的。

對于模型的信道容量進行了分析,發射端可經過多個路徑到達終端,而每個路徑的信道特征也會隨著時間而變化,因此,很難確定信道容量,通過對信道的溢出容量分析反映信道的容量特性。在傳輸過程中,選取的路徑越多,本來能達到的信道容量越大,同時也帶來了碼間串擾。對于給定的概率,選取的路徑越多,對用的溢出容量越大。圖4所示為模擬的、選取不同的路徑時、對應概率為10%的溢出容量,可知當相同原始SNR時,選取的路徑越多,溢出容量越大。

圖4 概率為10%時的溢出容量

上述模型是建立在移動通信的多徑效應基礎上的理想模型,在實際情況下,不僅存在環境對于信道的干擾,還存在碼間串擾(SI),其本質就是有多徑效應造成的。在傳輸統一符號時,由于其路徑的不同,使得同一符號多次接收,當其間隔較小時,使符號間發生混疊,造成串擾。也可由不同符號間發生混疊,如前一符號經過多次反射后,與后一個、通過直線路徑的到達的符號發生混疊,造成對后一符號的串擾。對上述模型進行改進,可模擬碼間串擾的情況,在式(6)中引入xi-1的影響。模型的各種模式在不同SNR下的BER如圖5所示。在應用本文的多通道模型,不考慮碼間串擾情況下,性能最好;多通道模型,考慮碼間串擾的情況下,性能最差;而在單通道模型、存在碼間串擾情況下,其性能居中。以10%誤碼率為為例,多通道碼間串擾模型大約在8 dB左右,而另2種情況下在3～4 dB之間,多通道碼間串擾模型更符合實際情況。

圖5 各種模式下的SNR分析

根據多通道碼間串擾模型可以模擬井下的多徑傳輸情況,這樣對井下信道的衰減情況進行預判;對于傳輸過程中的噪聲干擾,在接收端可進行濾波處理以抑制噪聲影響,對于多徑效應、泥漿特性等因素造成的信道衰減,可對信號進行均衡。為了簡化接收端即信息標簽的設計,本文采取了預均衡技術,在發送端根據對于信道衰減的預判,對發送數據進行預處理(見圖6)。圖6中的訓練序列用于預估數據傳輸中的噪聲干擾,補償序列是根據上述信道多通道碼間串擾模型特性分析的結果,設計的均衡器,用于均衡信道的衰減。當數據進行傳輸時,對存儲器中相應的數據進行FSK調制,并用補償序列進行均衡處理,得到發送符號,經過DA轉換后由天線發出。

圖6 井下信道預均衡結構框圖

3 仿真驗證

根據系統設計制作了系統樣機(見圖7),分別為井下數據發射樣機、信息標簽感應線圈和信息標簽實驗樣品,并在地面和井下分別進行了跟蹤實驗,其中井下的工作環境為35 MPa,工作溫度120 ℃;信息標簽采用聚甲基丙烯酸甲酯進行封裝,核心傳輸芯片采用RF4432X1模塊,為高度集成的無線ISM頻段收發芯片,其頻率范圍支持433～868 MHz,靈敏度高達-121 dBm,最大輸出功率20 dBm,支持的傳輸速率為0.123～256 kbit/s,本文采用868 MHz頻率,工作速率為128 kbit/s,采用FSK調制;工作電壓為1.8～3.6 V,可達到3～4 m的有效傳輸距離,支持定時喚醒功能;當信息標簽在運動時,芯片處于休眠狀態,其電流<1 μA,當接近井下數據采集站時,感應線圈產生感應電動勢,喚醒傳輸芯片,進行數據接收,其接收電流為18.5 mA。

信息標簽在井下采用非接觸式、無源供電模式,通過磁場上外部線圈電感耦合產生電動勢以驅動芯片根據芯片要求,感應電壓應大約為3.6 V。其電源端線圈匝數N1=350,DC=5 V,工作電流I1=40 mA,線圈電感為60～78 μH,線圈大小S1=56 mm×28 mm=1 568 mm2;信息標簽線圈匝數N2=100,其線圈直徑為d=16 mm,則井下模塊線圈產生的磁場強度為[1]

B=μ0N1I1

(7)

式中,μ0=1.25×10-6N/A-2穿過信息標簽線圈的磁通匝鏈數為

ψ=N2μ0N1I1S1

(8)

則線圈間的互感為

(9)

信息標簽的感應電動勢為

(10)

由感應線圈產生的電動勢可有效的驅動信息標簽的通信電路。

對實驗樣機分別進行了地面和井下實驗。在地面的試驗中,對信息標簽進行了10次模擬投放,共有8次獲得數據,平均可獲得900～1 000 Pa、溫度的數據點。在井下的投放實驗中,進行了8次有效投放,共有5次獲得數據,平均可獲得450～600個數據點。經過分析,認為數據獲取失敗的因素:孩實際投放中,不能保證信息標簽在井筒中的勻速運動,尤其是井下實驗時,當2個標簽距離間隔過近時,造成其中的一個將無法接到數據,這可通過后續改進算法避免;虎由于標簽在運動時會隨意旋轉,導致感應線圈的方向隨機,不能保證與磁力線的最佳角度,導致磁感應失敗,無法發起的通信,后續需要改進信息標簽的形狀,以使其達到較穩定的運動狀態。

4 結 論

(1)該系統為井下數據的無線傳輸提供一個新的方法,以循環標簽為載體,實現井下數據的無線傳輸,該技術具有較好的應用前景。

(2)該模型能夠較好地反映井下無線傳輸信道的特征,對于系統的信號傳輸、均衡器設計具有指導作用。

(3)根據模型設計的樣機,雖然在井下的性能較地面有著3～4 dB的差距,但也能較好地完成數據的傳輸,樣機的試驗結果基本達到設計要求,并對實驗中傳輸失敗的原因進行了分析,為后續個改進提出了方向。